평형 3상 부하가 선간 전압 208 V의 전원에서 선전류 75 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.9(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 208 VIL = 75 Acos φ = 0.9
P = kW
14.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 50 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 50 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
15.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 20:1인 이상 변압기의 1차 권선에 2400 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 30 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 30 Ω
I1 = A
16.변압기어려움
단상 50 kVA 변압기의 철손은 300 W이고 정격 부하에서의 동손은 450 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 75%를 역률 0.9(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.
t = τ·ln((18 − 15)/(15.9 − 15)) = 68·ln(3.333) = 81.87 ms
답
t = 81.87 ms
9.교류 임피던스와 페이저
답: φ = −78.02 °
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
리액턴스
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·100·10⁻⁶) = 3.183 Ω
가지 전류
두 가지 모두 전원에 바로 연결되어 있으므로 각각 전체 전압 V를 받습니다.
IR = V/R = 120/15 = 8 A
IX = V/XC = 120/3.183 = 37.7 A
전체 전류
저항 전류는 V와 동상이고 리액턴스 전류는 90° 위상차가 있으므로 직각삼각형의 변처럼 더해집니다.
I = √(IR² + IX²) = √(8² + 37.7²) = 38.54 A
위상각
커패시터 전류는 V보다 앞서므로 전체 전류도 앞서고 각은 음수입니다.
φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(37.7/8) = −78.02°
답
φ = −78.02°
10.교류 임피던스와 페이저
답: VL = 13.48 V
페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.
공진
공진에서는 리액턴스가 상쇄되므로 임피던스는 R뿐입니다.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.01·2.2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 1/5 = 0.2 A
인덕터 양단의 전압
XL = ω₀L = 6742·0.01 = 67.42 Ω
VL = I·XL = 0.2·67.42 = 13.48 V
답
VL = 13.48 V
이는 전원 전압의 Q = 13.48배입니다.
11.교류 전력과 역률
답: I = 14.49 A
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 3000/(230·0.9) = 14.49 A
답
I = 14.49 A
12.교류 전력과 역률
답: Inew = 165.4 A
교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.
Q1 = P·tan φ1 = 35·tan(49.46°) = 40.92 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 26.01 kvar
새 선전류
Inew = P/(V·cos φ2) = 35000/(230·0.92) = 165.4 A
답
Inew = 165.4 A
13.3상 전력
답: P = 24.32 kW
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·208·75 = 27.02 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 27.02·0.9 = 24.32 kW
답
P = 24.32 kW
14.3상 전력
답: QC = 38.04 kvar
평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.
보상 전후의 무효 전력
유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.
Q1 = 50·tan(acos 0.72) = 50·0.9639 = 48.19 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 38.04 kvar
답
QC = 38.04 kvar
15.변압기
답: I1 = 0.2 A
이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.
2차 전압과 전류
V2 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/30 = 4 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/20 = 0.2 A
답
I1 = 0.2 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 12000 Ω이고, 2400/12000도 같은 전류를 줍니다.
16.변압기
답: Ploss = 553.1 W
변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.